簡 介
Introduction
Metal
Ceramic
Polymer
第一章 簡 介
• 材料科學是什麼 ?
• 有什麼重要內容 ?
• 材料促進社會進步
• 石器時代
• 銅器時代 （金屬）
• 鐵器時代 （金屬）
• 現在 ?
• 矽時代 （半導體）?
• 高分子 （塑膠）?
• 奈米材料
2
四
1.2 材料科學與工程
( MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING)
• 結構(Structure)包含原子和分子組織相互間的相
對關係.結構意謂材料結構與內部成份的排列
有關.
• 性質(Property)是指材料特點,一般而言材料性質
的定義與材料的形狀及大小無關.固體材料可分
為6種不同性質: 機械,電性,熱,磁,光電與劣性.
• 除結構與性質以外,另兩個材料相當重要的是製
程(Processing)與性能(Performance).
性質、結構、製程
• 結構影響性質
Hardness (BHN)
ex: 鋼鐵的結構與性質
(d)
600
500
400
(c)
(a)
(b)
4 mm
300
200
30 mm
30 mm
100
0.01 0.1
30 mm
Data obtained from Figs. 10.30(a)
and 10.32 with 4 wt% C composition,
and from Fig. 11.14 and associated
discussion, Callister 7e.
Micrographs adapted from (a) Fig.
10.19; (b) Fig. 9.30;(c) Fig. 10.33;
and (d) Fig. 10.21, Callister 7e.
1
10 100 1000
Cooling Rate (ºC/s)
• 製程 改變 結構
ex:鋼鐵的結構與冷卻速率之關係
6
熱性質（1）
• 太空梭隔熱磚：
--矽纖維隔熱層提供低的熱傳導性
奮進號太空梭
隔熱瓷片：
高純度氧化鋁
纖維(99.8 %)
silica fibers
(10 %) and 空
間(90 %)
Credit: NASA
可重複使用高溫表面隔熱磚
High-temperature reusable surface insulation (HRSI)
Credit: Wikipedia
100 mm
Adapted from
Fig. 19.4W, Callister 6e.
(Courtesy of Lockheed
Aerospace Ceramics
Systems, Sunnyvale,
CA)
(Note: "W" denotes fig.
is on CD-ROM.)
7
熱性質（2）
• 銅的熱傳導性:
--加入鋅降低銅的導電度! 但強度,硬度增加
Thermal Conductivity
(W/m-K)
400
300
200
100
0
0
10
20
30
Composition (wt% Zinc)
40
Adapted from Fig. 19.4, Callister 7e.
(Fig. 19.4 is adapted from Metals Handbook:
Properties and Selection: Nonferrous alloys and
Pure Metals, Vol. 2, 9th ed., H. Baker,
(Managing Editor), American Society for Metals,
1979, p. 315.)
8
磁性
• 磁性儲存 :
• 磁導率 vs. 成分:
--加入 3 at. % Si使Fe變成更
佳的記錄介質!
--磁頭磁化記錄介質
磁
磁頭
化
Magnetization
儲存介質
Fe+3%Si
Fe
Magnetic
Field
磁場
Fig. 20.23, Callister 7e.
(Fig. 20.23 is from J.U. Lemke, MRS Bulletin,
Vol. XV, No. 3, p. 31, 1990.)
Adapted from C.R. Barrett, W.D. Nix, and
A.S. Tetelman, The Principles of
Engineering Materials, Fig. 1-7(a), p. 9,
1973. Electronically reproduced
by permission of Pearson Education, Inc.,
Upper Saddle River, New Jersey.
9
光學性質
• 透明度:
--氧化鋁因其結構不同而透明、半透明、不透明
多晶：低孔隙度
多晶：低高孔隙度
單晶
Adapted from Fig. 1.2,
Callister 7e.
(Specimen preparation,
P.A. Lessing; photo by S.
Tanner.)
10
劣化(deteriorative)
• 應力與鹽水...
• 熱處理：在鹽水中可降低裂紋速率
--導致裂紋!
裂
紋
速
率
無熱處理狀態
裂 10-8
紋
速
率 10-10
160ºC-1小時
7178鋁合金在
23ºC飽和鹽水中試驗
m/s
增加荷重
Adapted from chapter-opening photograph,
Chapter 17, Callister 7e.
(from Marine Corrosion, Causes, and Prevention,
John Wiley and Sons, Inc., 1975.)
Adapted from Fig. 11.20(b), R.W. Hertzberg, "Deformation and Fracture
Mechanics of Engineering Materials" (4th ed.), p. 505, John Wiley and
Sons, 1996. (Original source: Markus O. Speidel, Brown Boveri Co.)
-- 7150-T651 鋁合金
4 mm
(Zn,Cu,Mg,Zr)
→ 利用時效熱處理
增加強度及機械性質
Adapted from Fig. 11.26,
Callister 7e. (Fig. 11.26 provided courtesy of G.H.
Narayanan and A.G. Miller, Boeing Commercial
Airplane Company.)
11
電性
• 銅導電性:
6
Adapted from Fig. 18.8, Callister 7e.
(Fig. 18.8 adapted from: J.O. Linde,
Ann Physik 5, 219 (1932); and
C.A. Wert and R.M. Thomson,
Physics of Solids, 2nd edition,
McGraw-Hill Company, New York,
1970.)
(10-8 Ohm-m)
電阻, r
5
4
3
2
1
0
-200
-100
0
T (°C)
• 加入雜質原子提高銅的電阻
• 變形提高銅的電阻.
12
圖 1.2
顯示三種氧化鋁試片具有不同的光學性質(即光的穿透性)，
左邊的氧化鋁試片由於是單晶，所以是透明的，中間的氧
化鋁球由於是多晶，所以晶片會教射一部分之反射光，故
是半透明，右邊的氧化鋁試片是具有 5% 孔隙度的
多晶結構，所以是不透明的。
1.3 Why Study Materials Science and
Engineering
• 材料問題是由成千上萬的可用材料中選出適用
的材料,材料的選擇包括:
1.適當的材料特性與強度.
2.生產操作期間的劣化,例如腐蝕和氧化.
3.經濟性,成本考量.
Case Study
Liberty Ship Failures-自由號貨輪的損壞
● 降低延性到脆性(ductile-to-brittle)轉變溫度.
● 利用焊接(weld)強化貨船的每一角落.
● 強化焊接縫隙,改善裂縫擴張.
● 改善焊接實務.
1.4 材料種類
• 金屬(Metals):金屬材料通常是由金屬元素組成,是電熱的導體,雖硬但會變形.
金屬鍵自由電子 :
• 高強度、韌性
• 高熱傳、導電性
• 不透明、反射性佳.
• 陶瓷(Ceramics):陶瓷材料是電熱的絕緣體,硬度高具脆性,比金屬和高分子更耐高溫.
離子鍵  金屬、非金屬元素的化合物(氧化物、碳化物、氮化物、硫化物)
• 脆、玻璃態、彈性低
• 非導電體 (電絕緣體)
• 高分子(Polymers)/塑膠: 高分子材料包括塑膠和橡膠材料,許多是有機材料,化學上以
碳,氫和其它機金屬為基礎,基本上具有非常大的分子結構.
共價鍵  共用電子
• 柔軟、延性佳、低強度、低密度
• 電、熱絕緣體
• 光透明性、半透明性
• 複合材料(Composites):由多於一種以上的材料所組成,玻璃纖維是最常討論的例子,將
玻璃纖維埋進聚合體,強度來自玻璃,柔軟性來自高分子.
16
實例： 發展新型高分子
• 商用塑膠 – 使用量大
例：
聚乙烯 Polyethylene
聚丙烯 Polypropylene
聚苯乙烯 Polystyrene（發泡聚苯乙烯即為俗稱之「保麗龍」）
• 工程樹脂 – 使用量小
例：
聚碳酸酯樹脂 Polycarbonate
尼龍 Nylon （或聚醯胺纖維 Polyamide ）
聚諷 Polysulfone
•塑膠添加塑化劑依據使用的功能、環境不同，製造成擁有各種韌性的軟硬度、
光澤的成品，其中愈軟的塑膠成品所需添加的塑化劑愈多。一般常使用的保鮮膜，
一種是無添加劑的PE（聚乙烯）材料，但其黏性較差；另一種廣被使用的是
PVC (聚氯乙烯) 保鮮膜，有大量的塑化劑，以讓PVC材質變得柔軟且增加黏度，
非常適合生鮮食品的包裝
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密
度
f03_01_pg6
Figure 1.4
彈
性
係
數
f04_01_pg6
Figure 1.5
強
度
f05_01_pg7
Figure 1.6
破
裂
韌
性
f06_01_pg7
Figure 1.7
導
電
性
f07_01_pg8
Figure 1.8
f08_01_pg8
Figure 1.9
f09_01_pg9
Figure 1.10
f10_01_pg9
Figure 1.11
Case Study
Materials of Importance
Carbonated Beverage Containers
Al alloy: 強度高,對CO2擴散性佳,可回收.
Glass: 可回收,不昂貴,但易碎.
Plastic: 透光性,質量輕,不昂貴.
Glass與Al罐可以保持CO2氣體多年,但寶
特瓶僅能保持CO2氣體數個月.
1.5 先進材料 Advanced Materials
• 半導體材料(Semiconductors):半導體材料電性介於
導體和絕緣體之間,使電子和電腦工業大舉革新.
• 生醫材料(Biomaterials):生醫材料使用材料植入人
體,以代替疾病與損害的部份,例如人工髖骨.
• 智慧材料(Smart):智慧材料是目前發展中,對許多技
術有明顯改善,例如形狀記憶合金,壓電陶瓷等.
• 奈米材料(Nano):奈米單位10-9 m,其中奈米碳管是
一項新的發現,探具有相當高的強度與極佳的性質.
奈米材料性質的研究稱為奈米技術.
10-12: Pico, pm 皮米
10-15: Fermi, fm 費米
實例 –人工髖關節 (Hip)移植
• 隨著年齡增長關節逐漸老化以致毀損，尤其是受荷重較
大的關節如髖關節
Adapted from Fig. 22.25, Callister 7e.
28
人工髖關節 (Hip)移植
脊隨
• 要求
• 機械強度 （高循環數）
• 潤滑性
• 生物相容性
骨盆
髖臼
股骨球頭
骨盆
股骨
Adapted from Fig. 22.24, Callister 7e.
29
人工髖關節 (Hip)移植
骨盆
球頭
股骨柄
髖臼杯
固定劑
固定劑
股骨
Adapted from Fig. 22.26, Callister 7e.
30
1.6 Modern Materials’ Need 現代材料的需求
1.材料朝輕薄短小發展.
2.將太陽能轉為電能，利用風力發電.
3.氫燃料電池,太陽能電池等無污染能源
4.低碳/永續的材料製造
LED
www.flickr.com/
photos/lu_s/
3408506959/
www.flickr.com/
photos/lu_s/
3473579466/
http://www.google.com.tw/imgres?q=LED&num=10&hl=zhTW&tbm=isch&tbnid=NvU_x84DG6zdnM:&imgrefurl=http://www.ledl
ights.com.tw/prodshow.asp%3FProdId%3DLED_10mm_lamp&doci
d=7KukEzOwuPTC_M&imgurl=http://www.ledlights.com.tw/pic/digi/
LED_10mm_lamp_lar.jpg&w=640&h=480&ei=6FNiUNiWALOmgXzjIDoCQ&zoom=1&biw=1024&bih=658&iact=rc&dur=328&si
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材料選擇程序
1. 應用
決定所需性質
性質: 機械、電、熱、磁、光、劣化
2. 性質
找出候選材料
材料： 結構、成分
3. 材料
決定所需製程
製程：改變結構與整體形狀
ex: 鑄造、燒結、氣相蒸鍍、摻雜、接合（如焊接）、退火
32
結論
課程目標:
• 正確使用材料.
• 瞭解性質、結構、製程之間的關係
• 體認適當選擇材料可以提供新設計
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